一種熱驅(qū)動(dòng)可變形微鏡制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開(kāi)了一種熱驅(qū)動(dòng)可變形微鏡，屬于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。該微鏡由鏡片、電極、支梁和硅結(jié)構(gòu)框架組成，支梁將鏡片懸空支承在硅結(jié)構(gòu)框架的中央，鏡片由上至下分為三層，依次為金屬反射層、二氧化硅層和硅層，支梁與鏡片的硅層為同種材質(zhì)整體成型，硅結(jié)構(gòu)框架與支梁之間由二氧化硅層絕緣，電極設(shè)置在硅結(jié)構(gòu)框架的表面與支梁相連，對(duì)電極通電后，支梁和鏡片形成電流回路并發(fā)熱，利用金屬和硅的熱膨脹系數(shù)不同使得鏡片產(chǎn)生變形。本發(fā)明專利技術(shù)通過(guò)通電控制金屬和硅兩種不同材料的加熱溫度，達(dá)到鏡面變形的目的。

A thermally driven deformable micromirror

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種熱驅(qū)動(dòng)可變形微鏡
本專利技術(shù)涉及一種可變形的微鏡結(jié)構(gòu)，具體涉及一種利用熱驅(qū)動(dòng)變形的微鏡，屬于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)

技術(shù)介紹
微鏡是一種微型化的反射鏡，自德州儀器公司成功制備出商用的數(shù)字式微鏡以來(lái)，各種類型的微鏡便如雨后春筍般蓬勃發(fā)展。微鏡的發(fā)展，一方面得益于微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-ElectromechanicalSystems，MEMS)技術(shù)的進(jìn)步，包括表面工藝、體硅加工工藝、自組裝工藝等。另一方面，市場(chǎng)需求也在推動(dòng)著微鏡技術(shù)的發(fā)展。多數(shù)微鏡是以驅(qū)動(dòng)臂帶動(dòng)鏡片移動(dòng)的微反射鏡，比如，靜電式微鏡，利用陣列式的梳齒帶動(dòng)鏡片產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)；壓電式微鏡，利用材料的逆向壓電效應(yīng)驅(qū)動(dòng)鏡片產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)或位移；電磁式微鏡，利用磁場(chǎng)線圈的電磁效應(yīng)控制鏡片偏轉(zhuǎn)；電熱式微鏡利用材料的熱膨脹效應(yīng)帶動(dòng)鏡片產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)、抬升。上述微鏡雖然在驅(qū)動(dòng)方式上具有差別，但在本質(zhì)上都是以驅(qū)動(dòng)臂帶動(dòng)鏡片發(fā)生位移的改變，這在光學(xué)掃描系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，如激光雷達(dá)(LiDAR)、光學(xué)開(kāi)關(guān)、相干斷層掃描儀、人臉識(shí)別系統(tǒng)、便攜式光譜儀等。但是，在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中，卻需要一種可變形的鏡面，以實(shí)現(xiàn)波前校正的目的。自適應(yīng)光學(xué)是基于天文觀測(cè)提出的，其目的是為了提高空間光通信的質(zhì)量，而大氣衰減與湍流將會(huì)在很大程度上降低空間光通信質(zhì)量。如果能夠通過(guò)有效手段檢測(cè)波前畸變，并實(shí)時(shí)補(bǔ)償這一畸變以達(dá)到校正波前的目的，那么將會(huì)提高空間通信的抗干擾能力。因此，研究一種能夠?qū)崿F(xiàn)波前校正的微變形鏡勢(shì)在必行。然而，目前的微變形鏡，存在著驅(qū)動(dòng)電壓高、變形量較小的不足，并且制備工藝較為復(fù)雜。<br>
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
有鑒于此，本專利技術(shù)提供了一種熱驅(qū)動(dòng)可變形微鏡，通過(guò)控制兩種不同材料的加熱溫度，達(dá)到鏡面變形的目的。一種熱驅(qū)動(dòng)可變形微鏡，該微鏡由鏡片、電極、支梁和硅結(jié)構(gòu)框架組成，所述支梁將鏡片懸空支承在硅結(jié)構(gòu)框架的中央，所述鏡片由上至下分為三層，依次為金屬反射層、二氧化硅層和硅層，所述支梁與鏡片的硅層為同種材質(zhì)整體成型，所述硅結(jié)構(gòu)框架與支梁之間由二氧化硅層絕緣，所述電極設(shè)置在硅結(jié)構(gòu)框架的表面與支梁相連，對(duì)電極通電后，支梁和鏡片形成電流回路并發(fā)熱，利用金屬和硅的熱膨脹系數(shù)不同使得鏡片產(chǎn)生變形。進(jìn)一步地，所述鏡片為圓形結(jié)構(gòu)，鏡片中硅層的半徑與鋁層的半徑相同。進(jìn)一步地，所述支梁的數(shù)量為四個(gè)，四個(gè)支梁沿鏡片的圓周方向均勻布置。進(jìn)一步地，所述支梁采用分叉式懸臂梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁在平面內(nèi)呈迂回排列，懸臂梁的分叉端位于硅結(jié)構(gòu)框架上，匯合端位于鏡片上。進(jìn)一步地，所述鏡片的表面固定電阻絲，導(dǎo)線布置在支梁的表面并導(dǎo)通電阻絲和電極。一種熱驅(qū)動(dòng)可變形微鏡的加工方法，其實(shí)現(xiàn)的步驟如下：步驟一：在SOI(Silicon-On-Insulator)基片正面生長(zhǎng)一層二氧化硅作為絕緣層，然后濺射一層鋁后利用光刻工藝形成反射鏡面；步驟二：在SOI基片正面通過(guò)光刻工藝圖形化需要形成支梁結(jié)構(gòu)后利用DRIE(DeepReactiveIonEtching)工藝刻蝕成形；步驟三：在SOI基片背面通過(guò)光刻圖形化需要刻蝕的背腔結(jié)構(gòu)后利用DRIE工藝刻蝕背腔至SOI中間二氧化硅層；步驟四：利用腐蝕液腐蝕暴露出來(lái)的二氧化硅層，釋放微鏡，完成制作。有益效果：1、本專利技術(shù)利用硅材料的支梁代替加熱絲對(duì)硅進(jìn)行加熱，硅作為一種本征半導(dǎo)體材料，通過(guò)摻雜可以控制其電阻率，避免了額外制作加熱絲，一方面可以簡(jiǎn)化制備工藝，另一方面又可降低傳輸損耗，提高加熱效率。2、本專利技術(shù)的支梁采用分叉式懸臂梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁在平面內(nèi)呈迂回排列，該結(jié)構(gòu)使得鏡片與硅結(jié)構(gòu)框架具有穩(wěn)定的連接結(jié)構(gòu)，同時(shí)也具備相應(yīng)的彈性形變能力。3、本專利技術(shù)的加工方法利用三明治結(jié)構(gòu)的SOI基片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將基片中的頂層硅加工成支梁、中層二氧化硅刻蝕后作為絕緣層，底層硅形成硅結(jié)構(gòu)框架，整個(gè)微鏡為整體成型，工藝流程簡(jiǎn)潔且生產(chǎn)難度低。4、本專利技術(shù)在鏡片的表面固定電阻絲，導(dǎo)線布置在支梁的表面并導(dǎo)通電阻絲該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于，可以通過(guò)加熱電阻絲改變鏡面不同位置處的溫度，從而使得鏡面局部變形可控。附圖說(shuō)明圖1為本專利技術(shù)熱驅(qū)動(dòng)可變形微鏡的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為鏡片的剖面圖；圖3為本專利技術(shù)去掉硅結(jié)構(gòu)框架后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為圖3的半剖結(jié)構(gòu)圖；圖5為改變支撐梁結(jié)構(gòu)并在鏡面集成加熱電阻絲的結(jié)構(gòu)示意圖圖6為鏡面被金屬(比如鋁、金或其他高反射率金屬)覆蓋的微鏡示意圖圖7為增加加熱絲分布密度與增加支撐梁數(shù)量后的微鏡結(jié)構(gòu)示意圖圖8為Bimorph結(jié)構(gòu)受溫度變化變形示意圖；圖9為鏡片隨溫度變化時(shí)的變形圖；圖10為鏡片隨溫度增加時(shí)不同位置處的位移曲線；圖11為本專利技術(shù)熱驅(qū)動(dòng)可變形微鏡的制備工藝流程示意圖。其中，1-硅結(jié)構(gòu)框架、2-電極、3-支梁、4-鏡片、5-鋁反射層、6-二氧化硅層、7-硅層、8-頂層硅、9-中層二氧化硅、10-底層硅、11-光刻膠、12-紫外光線、13-鋁層，14-電熱絲，15-金屬引線。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本專利技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)描述。如附圖1所示，本專利技術(shù)提供了一種熱驅(qū)動(dòng)可變形微鏡，微鏡由鏡片4、電極2、支梁3和硅結(jié)構(gòu)框架1組成，四根支梁3將圓形的鏡片4懸空支承在硅結(jié)構(gòu)框架1的中央，如附圖2所示，鏡片4由上至下分為三層，分別為鋁反射層5、二氧化硅層6和硅層7，如附圖3和4所示，支梁3與鏡片4的硅層7為同種材質(zhì)整體成型，硅結(jié)構(gòu)框架1與支梁3之間由二氧化硅層6絕緣，電極2設(shè)置在硅結(jié)構(gòu)框架1的表面與支梁3相連，對(duì)電極2通電后，支梁3和鏡片4中的硅層7形成電流回路并發(fā)熱，利用鋁和硅兩種材料的熱膨脹系數(shù)不同使得鏡片4產(chǎn)生變形，同時(shí)又不局限于硅鋁兩種材料，比如硅金材料、二氧化硅鋁材料均可。如附圖5、6、7所示，本專利技術(shù)的另外結(jié)構(gòu)不局限于支梁的形狀與數(shù)量，比如形狀可以是蛇形與螺旋形，數(shù)量上圍繞鏡片均勻分布。硅層7上可以通過(guò)相關(guān)工藝集成加熱電阻絲，其目的使得鏡面不同位置處溫度可控，從而改變微鏡的局部變形。除了多了引線15與加熱電阻絲14，鏡片4的具體層數(shù)仍為三層，包括硅層7、二氧化硅絕緣層6與反射層5。當(dāng)材料所受溫度變化時(shí)，由于熱應(yīng)力的存在，將會(huì)產(chǎn)生伸縮效應(yīng)，不同材料由于熱膨脹系數(shù)不同，在同一溫度下的伸縮不一致。若將兩種材料結(jié)合在一起，受熱時(shí)將會(huì)產(chǎn)生形變。如圖8所示，材料1、材料2的熱膨脹系數(shù)分別為α1和α2，其中α1>α2。在溫度變化ΔT下，材料1與材料2產(chǎn)生的彎曲變形后的曲率半徑為：其中，E1、E2分別為材料1與材料2的楊氏模量，t1、t2分別為材料1與材料2的厚度。本專利技術(shù)的熱驅(qū)動(dòng)可變形微鏡經(jīng)過(guò)有限元方法仿真，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在仿真的過(guò)程中，將連接的支梁3的硅結(jié)構(gòu)框架1去掉，而采用固定約束將支撐梁3固支，同時(shí)不考慮中間的絕緣層，同時(shí)鏡片中硅層7與鋁反射層5的半徑相同。由于鋁的熔點(diǎn)(933.15K)較低，為了降低蠕變對(duì)器件的影響，在仿真的過(guò)程中，最高溫度設(shè)置為400K。圖8分別對(duì)本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種熱驅(qū)動(dòng)可變形微鏡，其特征在于，該微鏡由鏡片、電極、支梁和硅結(jié)構(gòu)框架組成，所述支梁將鏡片懸空支承在硅結(jié)構(gòu)框架的中央，所述鏡片由上至下分為三層，依次為金屬反射層、二氧化硅層和硅層，所述支梁與鏡片的硅層為同種材質(zhì)整體成型，所述硅結(jié)構(gòu)框架與支梁之間由二氧化硅層絕緣，所述電極設(shè)置在硅結(jié)構(gòu)框架的表面與支梁相連，對(duì)電極通電后，支梁和鏡片形成電流回路并發(fā)熱，利用鋁和硅的熱膨脹系數(shù)不同使得鏡片產(chǎn)生變形。/n

【技術(shù)特征摘要】
1.一種熱驅(qū)動(dòng)可變形微鏡，其特征在于，該微鏡由鏡片、電極、支梁和硅結(jié)構(gòu)框架組成，所述支梁將鏡片懸空支承在硅結(jié)構(gòu)框架的中央，所述鏡片由上至下分為三層，依次為金屬反射層、二氧化硅層和硅層，所述支梁與鏡片的硅層為同種材質(zhì)整體成型，所述硅結(jié)構(gòu)框架與支梁之間由二氧化硅層絕緣，所述電極設(shè)置在硅結(jié)構(gòu)框架的表面與支梁相連，對(duì)電極通電后，支梁和鏡片形成電流回路并發(fā)熱，利用鋁和硅的熱膨脹系數(shù)不同使得鏡片產(chǎn)生變形。


2.如權(quán)利要求1所述的熱驅(qū)動(dòng)可變形微鏡，其特征在于，所述鏡片中硅層的半徑與鋁層的半徑相同。


3.如權(quán)利要求1或2所述的熱驅(qū)動(dòng)可變形微鏡，其特征在于，所述支梁采用分叉式懸臂梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁在平面內(nèi)呈迂回排列，懸臂梁的...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：湯躍，徐立新，李建華，王鵬，謝會(huì)開(kāi)，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：北京理工大學(xué)，無(wú)錫微奧科技有限公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：北京;11